厭氧-潛流型人工濕地處理農村生活污水工程實例效果分析

沈琴琴，宋　穎，鐘永梅，曹　杰，王云龍，羅安程*（.安吉縣環(huán)保局，浙江安吉 00；.浙江大學環(huán)境與資源學院污染環(huán)境修復與生態(tài)健康教育部重點實驗室，浙江杭州 0058；.浙江省農業(yè)科學院環(huán)境資源與土壤肥料研究所，浙江杭州 00）

厭氧-潛流型人工濕地處理農村生活污水工程實例效果分析

沈琴琴1，宋穎2，鐘永梅1，曹杰1，王云龍3，羅安程2*
（1.安吉縣環(huán)保局，浙江安吉 313300；2.浙江大學環(huán)境與資源學院污染環(huán)境修復與生態(tài)健康教育部重點實驗室，浙江杭州 310058；3.浙江省農業(yè)科學院環(huán)境資源與土壤肥料研究所，浙江杭州 310021）

本文選取了浙江省安吉縣6個不同處理規(guī)模的厭氧-潛流型人工濕地工程為研究對象，對其進出水水質進行全年監(jiān)測，探討運行多年后人工濕地對農村生活水處理的效果。結果表明，不同區(qū)域農村生活污水由于其污水來源不同，水質有較大差異。6個供試人工濕地經多年運行后，對生活污水仍具有良好的處理效果。對CODCr的去除率可達63.91%～88.98%，出水CODCr平均濃度低于60 mg·L-1；對總磷（TP）的去除率為60.93%～95.91%；對氨氮和總氮（TN）的去除率分別為34.44%～74.03%和31.08%～71.39%。秋、冬季人工濕地對氮的去除效率有輕微下降，但TP與CODCr未受明顯影響。進水面積負荷對出水污染濃度影響較大，尤其是對氨氮和總氮，面積負荷越大，出水氨氮和總氮濃度越高；水力負荷與出水污染物濃度關聯(lián)不大，建議在工程設計中應充分考慮污染物面積負荷。

人工濕地；農村生活污水；運行效果

文獻著錄格式：沈琴琴，宋穎，鐘永梅，等.厭氧-潛流型人工濕地處理農村生活污水工程實例效果分析［J］.浙江農業(yè)科學，2016，57（7）：1100-1104，1111.

農村生活污水是農村水污染的重要來源之一。近年來，隨著我國新農村建設工作的深入開展，農村生活污水處理越來越受到政府重視?？蒲腥藛T針對我國農村地區(qū)經濟相對落后、管理維護不足等現(xiàn)狀，相繼開發(fā)出不少適用于我國農村生活污水處理的新工藝。其中，人工濕地污水處理工藝是目前廣泛應用的一種污水處理技術，它具有投資少、設計施工方便、處理效果好、運行費用低、維護操作簡單等優(yōu)勢，已成為我國農村生活污水處理領域較為成熟的一種工藝［1-2］。高菊紅等［3］采用人工濕地組合工藝處理太湖三山島生活污水，結果顯示，對總磷（TP）有良好的去除效果。劉婧等［4］將生物接觸氧化與人工濕地工藝相結合，用于處理農村生活污水，4個月的連續(xù)監(jiān)測結果顯示，出水水質達到了GB 18918—2002城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準的1級A標準，人工濕地對主要污染物的平均去除率均在50%以上。但這些報道大多只對新建工程的運行狀況進行研究，對于運行多年后人工濕地的實際運行效果并未見深入報道，難以評測人工濕地長期運行的可靠性及穩(wěn)定性。

安吉縣是我國第一個生態(tài)縣，最早于2001年開始農村生活污水處理工作，陸續(xù)建設了一大批污水處理工程點，全縣覆蓋率達80%以上，早期建設的污水處理工程主要以厭氧-人工濕地為主。以該縣長期運行的6個工程點為例，進行為期一年的污水水質監(jiān)測，分析不同規(guī)模、水質條件下人工濕地工程的運行效果，以期為農村生活污水的處理工藝選擇、工程設計提供技術參考。

1　材料與方法

1.1供試人工濕地概況

供試人工濕地為位于安吉縣杭垓鎮(zhèn)和皈山鄉(xiāng)的6個成熟運行的人工濕地，均為厭氧處理-人工濕地，鋼混結構，其中，厭氧池內設竹填料，厭氧段水力停留時間為3 d，污水來源均為生活污水。6個濕地的基本情況如下。

1號點（皈山）：位于皈山鄉(xiāng)皈山村，屬集中式污水處理工程。人工濕地長10 m，寬8 m，深1 m。濕地植物為燈芯草和中華萱草。污水來源為居民洗衣、做飯及廁所產生的廢水，包括附近的一家餐飲店和一座公共廁所的污水，日處理污水量為10 t，水力負荷0.125 m3·m-2·d-1。

2號點（桐杭）：位于杭垓鎮(zhèn)桐杭村，屬多戶式污水處理工程（12戶）。人工濕地長5 m，寬6 m，深1 m。濕地植物為美人蕉和麥冬。污水來源為村民洗漱和廚房污水，人糞尿用于菜地，不進入污水處理系統(tǒng)，日處理污水量為3.6 t，水力負荷0.120 m3·m-2·d-1。

3號點（唐舍A）：位于杭垓鎮(zhèn)唐舍村，屬多戶式污水處理工程（4戶）。人工濕地長3 m，寬1.2 m，深1 m。濕地植物為麥冬。污水來源為洗漱與廁所污水，但部分糞尿用于菜地，日處理污水量為1.2 t，水力負荷0.333 m3·m-2·d-1。

4號點（洛四房）：位于皈山鄉(xiāng)洛四房村，屬單戶式人工濕地工程，長3 m，寬1 m，深1 m。濕地植物為美人蕉和麥冬。住戶為2位老人，污水來源為廚房和洗衣污水，污水不進入污水處理系統(tǒng)，日處理污水量0.2 t，水力負荷0.066 7 m3·m-2·d-1。

5號點（唐舍B）：位于杭垓鎮(zhèn)唐舍村，屬單戶型人工濕地工程，長3 m，寬1 m，深1 m。濕地植物為麥冬。污水包括廚房和洗衣產生的廢水以及廁所廢水，日處理污水量0.2 t，水力負荷0.066 7 m3·m-2·d-1。

6號點（唐舍C）：位于杭垓鎮(zhèn)唐舍村，屬單戶型人工濕地工程，長2 m，寬2 m，深1 m。濕地植物為美人蕉和麥冬。污水主要來自廚房、洗衣及部分廁所廢水，日處理污水量0.4 t，水力負荷0.100 m3·m-2·d-1。

1.2分析項目與測試方法

1.2.1采樣

對人工濕地進、出水水質進行全年監(jiān)測，每月在相同的時間點采樣監(jiān)測1次。年終收獲全株濕地植物，將其分為地上和地下兩部分。對于小型濕地，收獲全部植物，對于較大的濕地，選取2 m2樣方，采集樣方內全部植物。收獲的植物測定干質量以及植物總氮、總磷含量，計算整個人工濕地內植物的生物量和氮、磷積累量。

1.2.2分析測試

水質指標包括CODCr、總氮（TN）、氨氮、TP，測定方法參照國家環(huán)?？偩滞扑]方法［5］。

植物樣品經H2SO4-H2O2消煮后，用靛酚藍比色法測定氮含量，鉬銻抗比色法測定磷含量［6］。

1.2.3氮磷在濕地中的去除途徑計算

總投配量Q：

式中，x代表氮或磷，Cxm（mg·L-1）為每個月進水中各污染物濃度，Nm（L）為每月進水量。

植物吸收量Qa：

式中，Ma（kg）為植物干質量，Pxa（mg· kg-1）為植物中各污染物含量。

出水排出量Qe：

式中，Cxi（mg·L-1）為每個月出水中各污染物濃度，Ni（L）為每月排水水量。

但是，蘇珊娜并沒有死，她過著隱居般的生活，在愛的面前，死喪失了駭人的力量。我認為這樣戲劇化的處理可以讓悲劇更深入人心。

氮硝化反硝化量QN：

磷基質吸持量Qp：

2　結果與分析

2.1進水污染物負荷

從表1可見，6個人工濕地進水污染物的平均濃度有很大差異，這種差異也造成了污染物面積負荷的差異（表2）。污水中污染物濃度不同反映了生活污水來源的差異。皈山點的進水污染物濃度最高，這是由于其收集的污水不僅包括當?shù)鼐用裆町a生的污水，還有餐飲、公廁等污水，這部分進水污染物濃度高，對水質影響很大。當污水不含廁所糞水時，污染物濃度顯著降低（桐杭、洛四房）。由于農村生活污水在收集管網建成前基本上處于隨意分散排放狀態(tài)，很難采到具有代表性的污水水樣。在設計污水進水水質參數(shù)時，通常是根據(jù)經驗進行估計設置。由表1可知，糞水接入與否或是否部分接入，以及有無餐飲類廢水等對進水水質影響很大，因此，在今后的設計中應充分考慮到上述因素。

2.2人工濕地處理效果

2.2.1對CODCr的去除效果

2.2.2對氨氮的去除效果

6個人工濕地對氨氮均具有一定的去除效果（圖2），去除率可達34.44%～74.03%，對于氨氮濃度較低的污水，其處理效果略差。與CODCr不同，6個人工濕地對氨氮的去除效果受季節(jié)影響較大，表現(xiàn)為11月以后氨氮出水濃度增加，去除效率降低。研究表明，人工濕地對氨氮的去除主要通過微生物的硝化作用［7］，水生植物可以將其獲得氧氣的90%傳輸?shù)礁H區(qū)域，從而使根際區(qū)域形成有利于微生物硝化作用的有氧環(huán)境［8-10］。因此，植物生長狀況直接影響到人工濕地對氨氮的去除效果。在秋冬季，植物開始衰老，輸氧能力下降，這可能會抑制微生物的硝化作用強度；同時，秋冬季節(jié)較低的溫度也是影響微生物硝化作用強度的重要因素之一。盧少勇等［11］研究表明，在純培養(yǎng)液環(huán)境中的最佳硝化溫度為25～35℃，在土壤環(huán)境中最佳硝化溫度為30～40℃。亦有研究表明，當水溫為10℃時，硝化作用即受到抑制；當溫度為6℃時，硝化速率為0［12］。

表1　人工濕地進水污染物平均濃度mg·L-1

表2　人工濕地污染物面積負荷kg·d-1·hm-2

圖1　人工濕地進、出水CODCr濃度的年變化

圖2　人工濕地進、出水NH+4-N濃度的年變化

2.2.3對TN的去除效果

6個人工濕地對TN的去除率為31.08%～71.39%，低于氨氮。6個人工濕地的進水TN與氨氮濃度較為接近（圖3），說明污水中氮的主要成分為氨氮。因此，人工濕地對總氮的去除效果與氨氮有一定的相似性，均受氣溫影響較大，表現(xiàn)為秋冬季去除效率有所下降，而其他月份對TN的去除率變化不大。

圖3　人工濕地進、出水TN濃度的年變化

圖4　人工濕地進、出水TP濃度的年變化

圖5　人工濕地污染物面積負荷與出水污染物濃度的相關性

2.2.4對TP的去除效果

人工濕地對磷的去除是植物吸收、微生物去除以及基質的物理化學作用共同協(xié)作的結果，其中，基質對磷的吸附沉淀作用是人工濕地除磷的主要途徑，通過收割植物移走的磷僅為很少的一部分［9，13］。6個人工濕地對TP的去除率為60.93%～95.91%，出水TP濃度0.13～2.38 mg·L-1。分析6個人工濕地對TP的去除效果的全年變化規(guī)律（圖4），出水TP濃度波動范圍較小，出水水質比較穩(wěn)定。究其原因，可能是因為基質對TP的吸附沉淀作用是人工濕地除磷的主要途徑，而且這種作用比較穩(wěn)定。

2.3污染負荷與氮磷去除及其途徑

2.3.1污染面積負荷與出水水質

如圖5所示，隨著面積負荷的增加，出水污染物濃度呈增高趨勢，其中，出水氮（氨氮和總氮）濃度與其面積負荷的相關性達顯著水平（圖5）。在人工濕地系統(tǒng)，CODCr的去除過程中厭氧過程有較大貢獻，因此，出水濃度與濕地面積負荷未表現(xiàn)出顯著的線性相關。相似地，磷的去除主要依賴于基質的物化吸持，與負荷面積也無顯著的線性關系。研究結果還表明，常用于工程設計的參數(shù)——水力負荷與出水污染物濃度沒有任何相關關系，說明在進行工程設計時，參數(shù)最好選擇污染物面積負荷，而非水力負荷。只有當進水污染物濃度變化不大時，水力負荷才有意義?？紤]到不同地區(qū)農村污水進水濃度差異極大，在設計時應盡可能采用污染物面積負荷進行相關校核。

2.3.2氮磷去除及其途徑

為探析氮磷污染物不同途徑的去除比例，特選擇4個點（皈山、洛四房、唐舍B、唐舍C）的人工濕地進行采樣分析。結果表明，在所選擇的4個人工濕地中，通過植物吸收去除的氮分別只占氮投配總量的0.04%、1.67%、0.12%和0.32%（表3），可見濕地植物直接吸收對氮的去除貢獻十分有限，幾乎可以忽略。由于人工濕地進出水的pH均在7.0左右，所用基質為卵石、砂礫一類物質且運行多年，因此，氨揮發(fā)、基質吸持作用可以忽略。綜上，可以推測，在運行多年的人工濕地系統(tǒng)中，氮去除的途徑主要是硝化/反硝化作用。試驗結果也顯示，皈山、洛四房、唐舍B、唐舍C人工濕地硝化/反硝化作用去除的氮占氮投配總量的70.31%、55.33%、48.84%和74.56%，由此可見，硝化/反硝化作用的確是人工濕地去除氮的主要途徑。盡管如此，人工濕地系統(tǒng)中植物對微生物硝化/反硝化的促進作用仍不可忽視［14］，尤其是植物發(fā)達的根系及其較高的根系活力，可能仍是提高濕地氮去除率的重要促進因素。

表3　人工濕地氮磷各途徑去除量

人工濕地對磷的去除僅為植物吸收與基質沉淀兩條途徑。皈山、洛四房、唐舍B、唐舍C人工濕地中，植物吸收的磷僅占磷投配總量的0.05%、4.09%、0.15%和0.35%。與氮相似，植物吸收對磷去除的貢獻十分有限。通過基質吸附和沉淀去除的磷占磷投配總量的96.38%、74.72%、62.88%和65.44%。人工濕地的基質主要是砂礫，之所以在運行多年后仍有相當?shù)娜コ饔?，這可能是因為植物根系的作用。劉婧等［15］研究表明，水生植物可以通過根表形成鐵膜來提高對磷的去除效果。這一效應提高或主導了運行多年的人工濕地對磷的去除效果，且這一效應并不會隨著濕地運行時間的增加而減弱。在實際工程中，這一機制是否成為主導仍需要進一步研究證實。

3　小結

農村生活污水處理系統(tǒng)進水污染物濃度受污水來源影響很大，其中，廁所與餐飲廢水對污染物負荷貢獻較大。對運行多年的人工濕地進行全年監(jiān)測，結果表明，只要運行維護正常，其對CODCr、TP、氨氮與總氮仍有較好的去除效果。季節(jié)變化、污染物面積負荷對氮的去除有明顯影響，因此，在工程設計中除考慮水力負荷外，還應考慮到污染物面積負荷這一因素。分析人工濕地對氮磷的去除途徑發(fā)現(xiàn)，微生物的硝化/反硝化作用和基質對磷素的沉淀吸附作用是人工濕地去除氮磷的主要途徑，而通過植物吸收直接去除的氮磷十分有限，因此，增強植物根系活力以及基質對磷的吸持作用有利于提高人工濕地的除污效率。

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（責任編輯：高 峻）

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0528-9017（2016）07-1100-05

10.16178/j.issn.0528-9017.20160747

2016-03-07

國家水專項（2014ZX07101-012-02）；農業(yè)科技成果轉化資金項目（2013GB23600658）

沈琴琴（1982—），女，浙江長興人，工程師，學士，主要研究方向為環(huán)境污染治理，E-mai1：122425600@163.com。

羅安程（1963—），男，浙江安吉人，教授，博士，主要研究方向為污水處理，E-mai1：acluo@zju.edu.cn。